La ricercatrice post-diploma di maturità Isabella Brewer è un membro del team che sta creando un rivelatore di raggi gamma di nuova generazione chiamato AstroPix. Crediti:NASA/Theresa Johnson
Gli astrofisici e gli ingegneri della NASA stanno adattando i rilevatori utilizzati dai supercollider terrestri e li stanno creando allo stesso modo in cui le aziende di elettronica producono tutti i moderni dispositivi di consumo, compresi telefoni cellulari e computer portatili.
La nuova tecnologia del rivelatore al silicio basata su pixel potrebbe essere utilizzata su osservatori di raggi gamma di prossima generazione per rilevare fotoni altamente energetici provenienti dagli eventi più potenti dell'universo, comprese le galassie in collisione e i buchi neri. I nuovi rilevatori rileverebbero questi fotoni in modo molto simile a una fotocamera digitale e userebbero molta meno energia degli attuali rilevatori spaziali.
Supercollider sotterranei, che hanno esperimenti che impiegano gli stessi rivelatori di tipo pixel al silicio, accelerare protoni e ioni vicino alla velocità della luce in direzioni opposte a energie molto elevate. Le loro collisioni sono progettate per ricreare le condizioni che hanno governato l'universo dopo il Big Bang. Sebbene altamente efficiente, l'attuale tecnologia dei pixel al silicio richiede molta potenza, che sarebbe una sfida se utilizzato in uno spazio dove l'energia è normalmente derivata da pannelli solari.
Entra in AstroPix
"La sfida è trovare il modo migliore per ridurre la quantità di potenza che il pixel deve utilizzare poiché gli strumenti a terra hanno accesso a tutta la potenza che desiderano, " disse Regina Caputo, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e un membro del programma Nancy Grace Roman Technology Fellowship della NASA. È la principale investigatrice dello sforzo di sviluppo del rivelatore di Goddard chiamato AstroPix.
Caputo e il suo team, che include l'astrofisico di Goddard Jeremy Perkins e la ricercatrice post-diploma di maturità Isabella Brewer, inizialmente hanno iniziato il loro lavoro con il supporto del programma di ricerca e sviluppo interno di Goddard (IRAD). Da allora il team si è assicurato il supporto per lo sviluppo tecnologico dal programma di ricerca e analisi dell'astrofisica (APRA) della NASA.
Come la comunità della fisica delle particelle, Caputo sta sperimentando un processo di fabbricazione chiamato semiconduttore di ossido di metallo complementare, o CMOS, che il Jet Propulsion Laboratory della NASA ha perfezionato per applicazioni di volo spaziale. L'industria dei semiconduttori utilizza questa tecnica per realizzare dispositivi elettronici moderni. "Questo processo ci consente non solo di raccogliere energia dalle particelle che entrano nel rivelatore, ma anche per amplificare i loro segnali tutti nello stesso materiale rivelatore. Questo rende questi rilevatori meno costosi e rumorosi, " disse Caputo.
Con il premio APRA, Caputo e il suo team stanno progettando nuovi rilevatori di pixel ottimizzati per un potenziale utilizzo nello spazio. Hanno inviato la loro prima versione di AstroPix a una fonderia di semiconduttori, le stesse strutture che producono chip per computer, per la fabbricazione.
"Speriamo di riavere AstroPix quest'estate per i test, " ha detto. "Questo è il progresso."
Una breadboard di un sistema di rilevamento di raggi gamma che la Principal Investigator Regina Caputo e il suo team hanno assemblato per testare la tecnologia dei rilevatori di silicio basati su pixel. Il rivelatore vero e proprio, fornito dal Laboratorio Nazionale Argonne, è il pezzo rettangolare posizionato sulla tavola verticale. Il progetto finale sarà realizzato su misura e più semplice. Credito:NASA/Theresa Johnson
Vantaggi del rivelatore
Il vantaggio di AstroPix è meglio illustrato confrontandolo con i rilevatori che volano sul telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. Fermi utilizza anche rilevatori a base di silicio, ma i suoi sensori sono costituiti da strisce di silicio assemblate a strati. Questi strati si incrociano perpendicolarmente per creare una griglia che individua le posizioni delle particelle ad alta energia create quando un raggio gamma colpisce un rivelatore.
Con AstroPix, però, le particelle verrebbero registrate una volta che hanno contattato un singolo pixel invece di strati di strisce di silicio, dando al rivelatore la capacità di creare una mappa dei percorsi delle particelle con meno strati.
"La precedente tecnologia di rilevamento delle strisce di silicio passava attraverso una serie di processi per convertire le cariche in segnali digitali, mentre la nuova tecnologia basata sui pixel può fare tutto in una volta poiché la lettura è integrata con ogni pixel, ha detto Caputo. In questo modo, il rilevatore di pixel ridurrebbe il suo fabbisogno energetico per funzionare al meglio nello spazio.
Il team sta testando il rilevatore di pixel nel laboratorio di astrofisica di Goddard utilizzando sorgenti radioattive, come cadmio, per il silicio pixelato da rilevare. I test aiutano a determinare se la risoluzione energetica del rilevatore di pixel è la stessa o migliore dei rilevatori a striscia di silicio. "Queste sorgenti possono riprodurre parzialmente i tipi di radiazioni che si trovano nello spazio, anche se a una dose molto più bassa, " disse Brewer.
Se dimostrato, le future missioni potrebbero trarne vantaggio
Il team di AstroPiX deve dimostrare l'efficacia di questi rilevatori di pixel al silicio prima che la tecnologia possa essere incorporata in una futura missione di raggi gamma, ha detto Perkins. Infatti, oltre a una migliore sensibilità alla posizione, risoluzione energetica, e consumi ridotti, la tecnologia del rilevatore di pixel sarebbe facilmente la scelta migliore per qualsiasi missione di rilevamento di particelle perché sono facili da produrre e poco costosi, soprattutto rispetto ai rilevatori di strisce di silicio.
